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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA GEOLÓGICA, MINERA Y METALÚRGICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALURGICA SOLIDIFICACIÓN ENSAYOS SOBRE ARCILLAS Y MEZCLAS

PROFESOR: Ing. Over Avelino Aliaga Ingaruca ALUMNO: Antoni Lincol Quintanilla Balbuena CÓDIGO: 20140427A

LIMA, ABRIL 2017

INTRODUCCION

Se conoce por bentonita un tipo de arcilla cuyo componente principal es la montmorillonita. Estructuramente está formada por capas de tetraedro de sílice y de octaedros de alúmina formando una unidad que se enlaza con la siguiente mediante cationes, fácilmente sustituibles. Además, según la formación del mineral, puede estar sustituidos el silicio de los tetraedros por aluminio, y el hierro y el magnesio pueden reemplazar al aluminio en las capas octaédricas. Por lo tanto no pueden hablarse de un mineral montmorillonita, sino un grupo de la montmorillonita, tal como lo han descrito Roos y Hendricks. Estas variaciones estructurales originan distintos caracteres mineralógicos y las propiedades de las bentonitas serás diferentes. El análisis químico no es suficiente para determinar el comportamiento de una bentonita en la fundición. Las características mineralógicas se determinan por difracción de rayos X y, mediante análisis térmico diferencial. De una manera general se puede definir a las bentonitas como productos capaces de conferir cohesión y plasticidad a una mezcla en determinadas proporciones de estos, con arena y agua. El poder conseguir estas dos características en las mezclas, presupone que los granos de arena han quedado envueltos y ligados entre sí por películas formadas con la mezcla de aglutinanteagua. La adhesión es una característica de los aglutinantes ya que forman películas alrededor de cuerpos extraños (arena) y se adhieren a ellos cuando son mezclados con una cantidad de agua determinado. Las mezclas así formadas con porcentajes adecuados de cada uno de ellos, permitirán una buena compresión contra el modelo consiguiéndose un molde de adecuada resistencia que soportara los esfuerzos del metal o aleación en estado líquido sin deformarse prácticamente, lo que permite mantener una buena estabilidad dimensional entra la pieza obtenida. Arena verde: es utilizada en moldes no secados (moldes de arena verde) y una aplicación de estos moldes es para la obtención de piezas coladas de dimensiones pequeñas y medias. Arena seca: es la arena en la que se ha eliminado toda la humedad. La arena seca se emplea principalmente para colar piezas grandes o cuando se requiera exactitud en las dimensiones o buen acabado en las piezas. Arena de revestimiento o de contacto: es la arena que se apisona contra la cara del modelo y que forma la cara del molde. Suele ser una mezcla de arena vieja y arena nueva, o con otros materiales aglutinantes, que se prepara para el uso atemperándola primero con la correcta cantidad de agua. Luego se muele y se criba para obtener una arena fina y bien aglutinada que pueda producir una impresión lisa y firme del modelo contra el que se apisona, y que no se desmorone o sea arrastrada cuando el metal liquido en el molde. Arena de relleno: arena procedente de los moldes ya colados y que vuelve a utilizarse otra vez para preparar arenas de revestimiento y, sobretodo, para completar el llenado del molde detrás de la arena de revestimiento. Arenas especiales para moldeado: cuando se necesita un acabado más terso o mayor exactitud de los que se pueden obtener en una colada normal, se pueden obtener en una colada normal, se pueden construir moldes grandes para piso y pozo, con variantes de proceso básico de colada de arena. Un molde de arcilla se construye con, más o menos 50% de arena para moldes y 50% de arcilla. El molde se suele construir sobre una estructura de ladrillo común. AGLUTINANTES ARCILLOSOS

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Productos capaces de conferir cohesión y plasticidad a una mezcla de determinadas proporciones de estos con agua y arena. La adhesión es una característica de los aglutinantes ya que forman películas alrededor de cuerpos extraños.

Las mezclas así formadas (aglutinantes, arena, agua) permitirán una buena compresión contra el modelo. Existen 2 grandes grupos de aglutinantes. -

Aglutinantes arcillosos (inorgánicos) Aglutinantes orgánicos (dextrina, mogul, etc)

Nosotros utilizaremos los aglutinantes inorgánicos. El origen de las arcillas se debe a las alteraciones sufridas por rocas ígneas y a la degradación de rocas y polvos volcánicos. Existen yacimientos de arcillas en el mismo lugar en el que se efectuo la descomposición de las rocas o polvos y en lugares alejados del punto de formación. Un buen yacimiento de arcilla se caracteriza por el predominio de una sola especie mineralógica y por su pureza. Su composición es muy variable y cambia de depósito; dentro de cada depósito a veces existen fuertes variaciones de composición de estrato a estrato. Podemos considerar que las arcillas son silicatos dobles de aluminio (disilicatos) y en su composición existen en pequeña proporción otros elementos, principalmente Mg, Fe, K, Na, Ca. Los cristales de las arcillas se agrupan entre sí para crecer en forma de pequeñas laminillas formando partículas elementales, estas laminillas o partículas son de una longitud inferior a 2 micras y con un espesor varias veces inferior a su longitud.

Las delgadísimas hojas que forman el cristal tienen siempre la misma estructura, la cual es diferente para cada una de las especies mineralógicas de arcillas conocidas. Para comprender mejor el problema, vamos a considerar que los cristales están formados por la repartición, dentro del contorno del cristal, de una agrupación de atomos de Si, Al, O, H y a veces Mg o Fe dispuestos regularmente según planos o modelos bien definidos, llamada celula unitaria o unidad reticular cristalina. En las arcillas, estas células unitarias están encadenadas

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unas a otras originando estratificaciones laminares. Por eso, los cristales están conformados por pequeñísimas hojas paralelas como en la imagen. Cada hoja de cristal esta formada de varios estratos paralelos colocados uno sobre otro como en un sándwich. Existen dos tipos de estratos bien definidos que son los que agrupados de una u otra forma, dan origen a los diferentes constituyentes cristalinos de las arcillas, siendo estos los siguientes. a. Estrato de coordinación tetraedral de Si-O. b. Un estrato en coordinación octaedral de Al-OH. El estrato a tiene un ion O2- libre, no compartido y disponible para la unión con otro estrato. El estrato b tiene un ion OH- libre y disponible para la unión con otro u otros estratos. En el estrato octaedral pueden darse ciertas sustituciones isomorfas de iones Al+3 por Mg2+ o Fe2+, lo cual desequilibra el balance electrostático del conjunto. Otras veces suele ocurrir lo mismo, por la sustitución de Si tetraedral por Al. En los constituyentes de las arcillas, estos estratos pueden agruparse en dos formas dentro de las hojas de cristal. 1ª Forma. Una unidad formada por un estrato de Si-O unido a un estrato Al-OH. 2ª Forma. Una unidad formada por un estrato de Si-O, un estrato central de Al-OH y otro estrato Si-O. CONSTITUYENTES DE LAS ARCILLAS 1ro.- Grupo Caolinita 2do.- Grupo Montmorillonita 3er.- Grupo Illita

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PROPIEDADES FISICAS Y QUIMICAS ARCILLAS 1. Arcillas caoliniticas 1.1. Caolin(China chay) 1.2. Caolin plástico(Bal clay) 1.3. Arcilla refractaria(fire clay) 2. Arcilla montmorillonitica 2.2. Bentonita sódica 2.3. Bentonita cálcica 3. Arcillas illiticas 3.1. Arcillas naturales

TAMAÑO DE PARTICULA

INTERVALO DE FUSION

0.2-1 1-2

1650-1775°C 1600-1770°C

2

1700-1775°C

0.1

1250-1350°C

0.1 0.1

1250-1350°C 1250-1350°C 1250-1350°C 1300°C

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COMPORTAMIENTO DE LAS ARCILLAS FRENTE AL INCREMENTO DE TEMPERATURA Los tres tipos de arcillas estudiadas, y presentadas comercialmente tienen humedad que puede llegar en algunos casos al 10-12%. Cuando a las mimas se las somete a calentamientos variables de 0 °C a 1000°C por ejemplo, vemos que ocurren 2 fenómenos característicos. 1ro. En un rango de temperatura bien definidas, variable según el tipo de arcilla. Han perdido toda su humedad retenida. 2do. A otra temperatura bien definida, se inicia el cambio en su estructura por perdida del agua de constitución obteniéndose substancias diferentes. A partir de esta temperatura, las arcillas han perdido sus cualidades de retener agua entre sus partículas. 

Si dibujamos unas curvas en las que las abscisas representan las temperaturas y las ordenadas las pérdidas de peso en porcentaje obtenemos las llamadas curvas de deshidratación de las arcillas.

Cada arcilla tiene una típica curva de deshidratación, sabemos que cada mineral no se encuentra al 100% puro, en este caso los contaminantes será carbonatos, sulfatos, óxidos, etc. Que de alguna manera influenciara en su curva de deshidratación.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: A. ARCILLA ACTIVA (ENSAYO DE AZUL DE METILENO) Es la capacidad de absorción del azul de metileno por una disolución que contiene arcilla en análisis. Mediante este ensayo se determina la actividad de la bentonita, desde el punto de vista de su capacidad de intercambio de bases.

B. HINCHABILIDAD Es el volumen de sedimento gelatinoso expresado en cc o ml. Obtenido después de la dispersión en agua destilada de 2g de arcilla.

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C. ABSORCIÓN Es la capacidad que tiene las arcillas de absorber agua.

D. HUMEDAD Es el porcentaje de pérdida de peso de una arena después de haber sido sometido a un secado de 105°-110°C. %H= (P1-P2)*100/P1

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E. PH Mide el grado de acidez o basicidad de la muestra.

F. SEDIMENTACIÓN El índice de sedimentación es el volumen de sedimento obtenido al cabo de 72 horas de reposo de una mezcla de agua, bentonita y cloruro de amoniaco (ClNH4) en determinadas proporciones, y que ha sido agitada en un tubo durante un determinado tiempo.

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DATOS Y RESULTADOS. ENSAYO AZUL DE METILENO SEDIMENTACION HINCHABILIDAD ABSORCION PH % DE HUMEDAD

A 68 ml 23 ml V1=54 V2=58 8.6 gr 8.5 11.98

B 7 ml V1=13 V2=14 32.94 g 6

C 57 ml 23.5 ml V1=32.5 V2=33.5 10.074 g 7.5 6

D 63 ml 22 ml V1=46 V2=50 9.5089 8.5 12.36

E 22 ml 5 ml V1=18 V2=17 19.508 g 6 5.4

F 52 ml 13 ml V1=43 V2=42 12.226 7.5 8.2

DATOS Y RESULTADOS DE LA MEZCLA, ARENA ARCILLA Y AGUA ENSAYO

%H

PESO Gr

N° DE GOLPES

DENSIDAD DUREZA g/cm3

1 2 3 4 5 6

3 4 5 6 7 8

169 170 173 177.9 180 182

3 3 3 3 3 3

0.41055 0.41298 0.42027 0.43217 0.43727 0.44213

76 74 73 68 67 72

RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN 3.3 4.8 5.3 2.2 3.1 2.8

RESISTENCIA AL CORTE 1.6 2.1 2 1.2 1.3 1.35

2”

2”

9

densidad 0.445 0.44

densidad

0.435 0.43 0.425 0.42 0.415 0.41 0.405 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

7

8

9

7

8

9

% de humedad

dureza 78 76

dureza

74 72 70 68 66 0

1

2

3

4

5

6

% de humedad

resistencia a la compresión resistencia a la compresión

6 5 4 3 2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

% de humedad

10

resistencia al corte 2.5

resistencia al corte

2 1.5 1 0.5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

% de humedad

VARIAMOS LA CANTIDAD DE GOLPES EFECTUADOS. ENSAYO % DE N° DE PESO HUMEDAD GOLPES (gr) 1

3

2

4

3

5

4

6

5

7

6

8

1 10 1 10 1 10 1 10 1 10 1 10

162 181 159 181 165 176 165 187 170 190 164 189

DENSIDAD(g/cm3) DUREZA RESISTENCIA A LA COMPRESIÓN 0.39355 66 2.4 0.4397 87 7.9 0.38626 63 3.2 0.4397 85 5.9 0.40084 55 2 0.42756 85 5.6 0.40084 56 2.2 0.45428 80 3.5 0.41298 55 2.1 0.46157 81 4.15 0.39841 59 2.2 0.45914 80 3.65

RESISTENCIA AL CORTE 1 1.9 1.5 2.5 1.3 2.5 0.75 1.7 1 1.6 0.97 1.7

GRAFICOS PARA 1 GOLPE

densidad 0.415

0.41

densidad

0.405 0.4 0.395 0.39 0.385 0.38 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

% de humedad

11

dureza 70 60

dureza

50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

6

7

8

9

7

8

9

% de humedad

resistencia al corte resistencia al corte

1.6 1.4 1.2 1

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

1

2

3

4

5

% de humedad

GRAFICOS PARA 10 GOLPES

densidad 0.465 0.46

densidad

0.455 0.45

0.445 0.44 0.435 0.43 0.425

0

1

2

3

4

5

6

% de humedad

12

dureza 88 87 86

dureza

85 84 83 82 81 80 79 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

% de humedad

resistencia a la compresión 9

resistencia a la compresión

8 7 6 5 4 3 2 1 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

% de humedad

resistencia al corte

resistencia al corte

3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

% de humedad

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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES -

Los errores cometidos son por parte de la pérdida de peso que se da al momento de efectuar los golpes para la compactación del molde de la mezcla. La mezcla al estar expuesto al ambiente pierde humedad al pasar el tiempo por lo cual los experimentos deben efectuarse de manera rápida. La arena que se optara para la fundición deberá cumplir los requerimientos de adhesión y plasticidad, además de tener resistencia a la compresión y al corte.

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